2020年10月21日，是注定被載入中國核能事業(yè)發(fā)展史冊的日子。這一天，我國自主研發(fā)的三代核電“華龍一號”全球首堆福清核電廠5號機組首次達到臨界，向建成投產邁出了重要一步。
“華龍一號”是我國具備完全自主知識產權的第三代核電技術，它是中國核電走出去的旗艦，也是我國科技走向世界的一張新“名片”。
在此次“華龍一號”全球首堆首次啟動試驗中，西安交通大學核工程計算物理實驗室團隊（以下簡稱NECP團隊）自主研發(fā)的核電工業(yè)軟件高精度地預測了該機組首次啟動的臨界硼濃度，充分展示了我國核電“軟實力”，成功為核電機組的安全運行保駕護航。
十年鑄劍 自主軟件初露鋒芒
“華龍一號”是我國具備完整自主知識產權的三代先進壓水堆核電型號。壓水堆通常采用硼酸溶液來控制堆芯的反應性，硼濃度直接影響堆芯性能：硼濃度過高，反應堆無法達到臨界，無法正常工作；硼濃度過低，則可能引發(fā)嚴重的堆芯超臨界事故。
“核反應實際上是中子與原子核相互作用、通過原子核的質量虧損釋放巨大能量，我們可以將核反應堆啟動類比為汽車點火發(fā)動，從點火到穩(wěn)定運行是最關鍵的過程。因此，如何精確預測堆芯臨界狀態(tài)下的硼濃度，對于核反應堆的安全啟動至關重要。”NECP團隊負責人、863項目首席科學家吳宏春向《科學新聞》表示。
正所謂買船容易造船難。也正是為了實現(xiàn)真正的自主創(chuàng)新，NECP團隊十余年來克服種種困難，潛心攻關核電關鍵技術，終于成功研發(fā)了具有完全自主知識產權的先進壓水堆燃料管理軟件“Bamboo-C”和數(shù)值反應堆確定論高保真計算軟件“NECP-X”。
此次福清核電廠業(yè)主公司和NECP團隊采用這兩套軟件，背靠背地分別建立了精細的“華龍一號”計算模型，精確預測了“華龍一號”首次臨界的關鍵安全物理量——臨界硼濃度。
吳宏春告訴記者，這次應用團隊研發(fā)的軟件計算出的臨界硼濃度值與實測值之間的誤差僅為1ppm（1ppm等于百萬分之一）和9ppm，預測精度顯著高于國際同類計算軟件，充分展示了NECP團隊研發(fā)軟件在商用核電廠中實際應用的效果。
作為我國自主研發(fā)設計的三代核電技術，“華龍一號”是目前國際上實現(xiàn)商用發(fā)電的最先進的堆型之一。吳宏春坦言，我國三代核電的技術水平與美國、法國等國家已基本相當，采用的研發(fā)思路更先進，在堆芯設計、系統(tǒng)設計等方面都有創(chuàng)新，且具有很高的安全系數(shù)。“此次‘華龍一號’全球首堆順利達到臨界狀態(tài)是國之驕傲，非常振奮人心。”
如今，作為中國核電走出去的旗艦，“華龍一號”已成功向巴基斯坦等國家出口，并與全球多個國家和地區(qū)建立了科技經貿關系。
迎難而上 掌握核心技術
在我國核電不斷發(fā)展的歷史進程中，從設計、建造到運營均存在諸多技術難題。其中，壓水堆核設計軟件更是長期受到國外技術壟斷，成為我國核電技術發(fā)展中的關鍵“卡脖子”難題。
由于核電設計軟件研發(fā)理論難度大、專業(yè)性強，我國早期投入不足，開發(fā)過程面臨重重困難。而且，第三代核電技術本身就十分先進，加之我國自主研發(fā)設計的“華龍一號”又有非常多創(chuàng)新之處，因此沒有國外現(xiàn)成的技術可供參考。
但就在這樣困難而艱巨的任務中，NECP團隊卻當起了“第一個吃螃蟹的人”，他們迎難而上，完全靠自己在摸索中前進。
“我們不僅要突破‘卡脖子’技術，還要做得比國外更先進。”吳宏春表示，“強國不能沒有核電，科技報國是我們的心愿，就是再苦再難也要突破技術難關，不能讓人家卡我們的脖子。”
羅馬不是一天建成的，任何突破與成果的取得都不是一蹴而就的，核電科研攻關更是如此。至今，NECP團隊成員萬承輝副教授都無法忘記那段攻堅克難的艱苦時光。
每天早上7點不到就去實驗室，晚上11點之后才回家，無數(shù)個沒日沒夜科研攻關的日子早已成為家常便飯，強大的科研壓力更是讓他大把大把地掉頭發(fā)。記不清從什么時候開始，養(yǎng)成了沾枕頭就能睡著的“好習慣”。“印象里最深刻的一次是乘飛機去外地調研交流，想趁著起飛前閉眼休息一下，結果再睜眼時發(fā)現(xiàn)已經到達目的地了。”萬承輝苦笑道。
縱然科研攻關的過程十分辛苦，但萬承輝感到非常充實飽滿。“每天都可以一點點靠近心里的目標，這樣的工作激情給了團隊很大的支撐。”
歷經十余年“痛并快樂著”的苦心研究，NECP團隊攻克了一道又一道難關，終于取得了重大突破。
“兩步法”是國際上核電反應堆設計的通用方法，但傳統(tǒng)“兩步法”存在精度和效率不足的問題。針對這些技術難題，NECP團隊研發(fā)出了先進的“兩步法”——具有更高的計算精確度和模型精細度，并開發(fā)了具有完全自主知識產權的先進壓水堆燃料管理軟件“Bamboo-C”。
與此同時，NECP團隊還研發(fā)出新一代的“一步法”。“‘一步法’目前在國際上尚處于研究的初步階段，而我們基于更先進的理論方法，研發(fā)出的先進‘一步法’，采用了很多特殊技巧提高計算效率和精度，突破了目前計算資源的限制。”團隊成員、國家優(yōu)秀青年基金獲得者曹良志教授欣喜地說。
值得一提的是，此次團隊采用NECP-X軟件計算“華龍一號”臨界硼濃度，是國際上首次將“一步法”高保真確定論計算軟件用于商用核電廠數(shù)值模擬，而準確的預測結果也印證了其“高保真”的特性。
科技報國 把論文寫在祖國大地上
在核電技術領域里，NECP團隊并不讓人陌生。
近年來，NECP團隊先后承擔了包括973、863、國家自然科學基金、國防預研等國家級科研項目50余項，共發(fā)表SCI論文200余篇，獲授權發(fā)明專利50余項、軟件著作權30余項，獲國家和省部級科技獎勵10余項。
這支團隊之所以能夠屢創(chuàng)佳績，離不開背后為其提供源源不斷創(chuàng)新支撐的西安交通大學核工程計算物理實驗室。
核工程計算物理實驗室成立于2004年，其前身為1958年成立的反應堆物理研究小組。實驗室始終將國家責任牢記心頭，立志科技報國，長期致力于核反應堆物理創(chuàng)新研究與關鍵技術攻關，為我國核能發(fā)展貢獻了重要力量。
談及團隊的優(yōu)勢，吳宏春自豪地說：“我們團隊有四種精神——創(chuàng)新、進取、協(xié)作、堅持。核能研究實屬不易，但無論形勢如何變化，團隊都始終面向國家重大科技需求，這是我們的科研興趣所在，一定會堅持下去。”
如今核能發(fā)展十分迅速，NECP團隊對于未來也有自己的發(fā)展規(guī)劃。曹良志表示，團隊目前已經研發(fā)了從前端的核數(shù)據(jù)加工到后端的堆芯設計與安全分析等全套分析軟件。“我們大概在10年前做出了一個重要決策，就是從早期的基礎理論和方法研究轉向具有工程實用價值的軟件研發(fā)。對于我們來說，就是要把多年來在實驗室研究出來的基礎研究成果轉化為能為國家核能發(fā)展所用的設計分析軟件。”
除了上面提到的Bamboo-C和NECP-X軟件以外，NECP團隊還自主研發(fā)了適用于快堆物理設計的NECP-SARAX軟件、適用于屏蔽設計的NECP-MCX軟件和核數(shù)據(jù)處理軟件NECP-Atlas等。
“當前的核電設計基本都使用美國和法國的軟件，不過中國現(xiàn)在已經有了自主知識產權的軟件了，如果國外軟件被限制使用，我們的軟件也完全能勝任所有的設計計算工作，甚至可以做得更好。”曹良志說。
下一步，NECP團隊計劃將所有軟件全部推向更廣泛的工程應用。“我們想做的事就是讓中國的核電站甚至外國的核電站都用我們的軟件，希望我們的軟件能有更多用戶,讓大家看到中國的核電技術也很棒。”吳宏春自信地表示，“未來，我們將依托中國西部科技創(chuàng)新港，繼續(xù)從基礎科學研究轉向產品化，我們要讓自己的科研產生實際意義，讓‘西遷精神’變成對國家實實在在的貢獻。” ■